为什么要两阶段提交?一阶段提交不行吗?

小伙伴们知道,MySQL 中的事务是两阶段提交,我们见到的很多分布式事务也都是两阶段提交的,例如 Seata,那么为什么要两阶段提交呢?一次直接提交了不行吗?今天我们来聊聊这个话题。

1. 什么是两阶段提交

1.1 binlog 与 redologbinlog

binlog

我们中文一般称作归档日志,如果大家看过松哥之前发的 MySQL 主从搭建,应该对这个日志有印象,当我们搭建 MySQL 主从的时候就离不开 binlog。

binlog 是 MySQL Server 层的日志,而不是存储引擎自带的日志,它记录了所有的 DDL 和 DML(不包含数据查询语句)语句,而且是以事件形式记录,还包含语句所执行的消耗的时间等,需要注意的是:

  • binlog 是一种逻辑日志,他里边所记录的是一条 SQL 语句的原始逻辑,例如给某一个字段 +1,注意这个区别于 redo log 的物理日志(在某个数据页上做了什么修改)。
  • binlog 文件写满后,会自动切换到下一个日志文件继续写,而不会覆盖以前的日志,这个也区别于 redo log,redo log 是循环写入的,即后面写入的可能会覆盖前面写入的。
  • 一般来说,我们在配置 binlog 的时候,可以指定 binlog 文件的有效期,这样在到期后,日志文件会自动删除,这样避免占用较多存储空间。

根据 MySQL 官方文档的介绍,开启 binlog 之后,大概会有 1% 的性能损耗,不过这还是可以接受的,一般来说,binlog 有两个重要的使用场景:

  • MySQL 主从复制时:在主机上开启 binlog,主机将 binlog 同步给从机,从机通过 binlog 来同步数据,进而实现主机和从机的数据同步。
  • MySQL 数据恢复,通过使用 mysqlbinlog 工具再结合 binlog 文件,可以将数据恢复到过去的某一时刻。

redo log

前面我们说的 binlog 是 MySQL 自己提供的,在 MySQL 的 server 层,而 redo log 则不是 MySQL 提供的,是存储引擎 InnoDB 自己提供的。所以在 MySQL 中就存在两类日志 binlog 和 redo log,存在两类日志既有历史原因(InnoDB 最早不是 MySQL 官方存储引擎)也有技术原因,这个咱们以后再细聊。

我们都知道,事务的四大特性里面有一个是持久性,即只要事务提交成功,那么对数据库做的修改就被永久保存下来了,写到磁盘中了,怎么做到的呢?其实我们很容易想到是在每次事务提交的时候,将该事务涉及修改的数据页全部刷新到磁盘中,一旦写到磁盘中,就不怕数据丢失了。

但是要是每次都这么搞,数据库就不知道慢到哪里去了!因为 Innodb 是以页为单位进行磁盘交互的,而一个事务很可能只修改一个数据页里面的几个字节,这个时候将完整的数据页刷到磁盘的话,不仅效率低,也浪费资源。效率低是因为这些数据页在物理上并不连续,将数据页刷到磁盘会涉及到随机 IO。

有鉴于此,MySQL 设计了 redo log,在 redo log 中只记录事务对数据页做了哪些修改。那有人说,写 redo log 不就是磁盘 IO 吗?而写数据到磁盘也是磁盘 IO,既然都是磁盘 IO,那干嘛不把直接把数据写到磁盘呢?还费这事!

此言差矣。

写 redo log 跟写数据有一个很大的差异,那就是 redo log 是顺序 IO,而写数据涉及到随机 IO,写数据需要寻址,找到对应的位置,然后更新/添加/删除,而写 redo log 则是在一个固定的位置循环写入,是顺序 IO,所以速度要高于写数据。

redo log 本身又分为:

  • 日志缓冲(redo log buffer),该部分日志是易失性的。
  • 重做日志(redo log file),这是磁盘上的日志文件,该部分日志是持久的。

MySQL 每执行一条 DML 语句,先将记录写入 redo log buffer,后续在某个时间点再一次性将多个操作记录写到 redo log file,这种先写日志再写磁盘的技术就是 MySQL 里经常说到的 WAL(Write-Ahead Logging) 技术(预写日志)。

1.2 两阶段提交

在 MySQL 中,两阶段提交的主角就是 binlog 和 redolog,我们来看一个两阶段提交的流程图:

从上图中可以看出,在最后提交事务的时候,有 3 个步骤:

  • 写入 redo log,处于 prepare 状态。
  • 写 binlog。
  • 修改 redo log 状态变为 commit。

由于 redo log 的提交分为 prepare 和 commit 两个阶段,所以称之为两阶段提交。

2. 为什么需要两阶段提交

如果没有两阶段提交,那么 binlog 和 redolog 的提交,无非就是两种形式:

  • 先写 binlog 再写 redolog。
  • 先写 redolog 再写 binlog。

这两种情况我们分别来看。

假设我们要向表中插入一条记录 R,如果是先写 binlog 再写 redolog,那么假设 binlog 写完后崩溃了,此时 redolog 还没写。那么重启恢复的时候就会出问题:binlog 中已经有 R 的记录了,当从机从主机同步数据的时候或者我们使用 binlog 恢复数据的时候,就会同步到 R 这条记录;但是 redolog 中没有关于 R 的记录,所以崩溃恢复之后,插入 R 记录的这个事务是无效的,即数据库中没有该行记录,这就造成了数据不一致。

相反,假设我们要向表中插入一条记录 R,如果是先写 redolog 再写 binlog,那么假设 redolog 写完后崩溃了,此时 binlog 还没写。那么重启恢复的时候也会出问题:redolog 中已经有 R 的记录了,所以崩溃恢复之后,插入 R 记录的这个事务是有效的,通过该记录将数据恢复到数据库中;但是 binlog 中还没有关于 R 的记录,所以当从机从主机同步数据的时候或者我们使用 binlog 恢复数据的时候,就不会同步到 R 这条记录,这就造成了数据不一致。

那么按照前面说的两阶段提交就能解决问题吗?

我们来看如下三种情况:

情况一:一阶段提交之后崩溃了,即写入 redo log,处于 prepare 状态 的时候崩溃了,此时:

由于 binlog 还没写,redo log 处于 prepare 状态还没提交,所以崩溃恢复的时候,这个事务会回滚,此时 binlog 还没写,所以也不会传到备库。

情况二:假设写完 binlog 之后崩溃了,此时:

redolog 中的日志是不完整的,处于 prepare 状态,还没有提交,那么恢复的时候,首先检查 binlog 中的事务是否存在并且完整,如果存在且完整,则直接提交事务,如果不存在或者不完整,则回滚事务。

情况三:假设 redolog 处于 commit 状态的时候崩溃了,那么重启后的处理方案同情况二。

由此可见,两阶段提交能够确保数据的一致性。

来源: 江南一点雨

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作者 aibbs